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1、汽轮机控制,第一节 汽轮机控制系统,一、控制任务 1自动监测 汽轮机监测仪表（Turbine Supervisory Instrumentation,TSI）2自动保护(1)超速保护系统（Overspeed Protection Controller,OPC）:超速时关闭高、中压缸调节阀。(2)危急遮断系统（Emergency Trip System,ETS，又称紧急跳闸系统）:用于参数严重超标、危及机组安全时，紧急关闭所有的主汽阀和调节汽阀，立即停机。(3)机械超速保护和手动遮断系统,3自动调节,汽轮机的主要控制参数是功率、转速和主蒸汽压力,调节汽轮机的进汽量（也即改变发电机功率角）可控制汽
2、轮发电机组的输出电功率（有功功率）。,汽轮机自动启停控制 汽轮机控制系统都设有ATC（Automation Turbine Control）功能，即具有汽轮机自动盘车、自动升速、自动并网到自动带负荷功能。,二、控制系统构成,目前汽轮机控制系统广泛采用DEH（Digital Electro-Hydraulic）技术，同时将汽轮机和发电机构成的汽轮发电机组作为被控对象进行控制，因此汽轮机控制系统实际上是汽轮发电机组控制系统。,数字电液控制系统（又称DEH系统，Digital Electro-Hydraulic Control System）是20世纪70年代后期发展起来的大型汽轮发电机组的自动控制
3、装置，早期的DEH系统采用专用的数字控制装置，但现在汽轮机控制系统普遍采用分散控制系统DCS（Distributed Control Systems）系统予以实现。,三、控制原理,第二节 阀门管理,1阀门配置与作用,高压主汽阀具有危急状态时快速关闭、截断进汽和启动时调节汽轮机转速两个功能。当高压调节阀失效时能提供一个额外的保护。高压主汽阀在汽轮机全速旋转时和正常工况下保持全开。当汽轮机发电机组正常运行时，通过调节高压调节阀门开度，改变进汽流量，达到速度和负荷控制的目的。中压主汽阀的作用是在紧急情况下快速地关闭以便切断进入中压缸的再热蒸汽。中压调节阀的基本作用是在将要发生突发事故时起保护作用。它
4、在汽轮机保护系统动作时进行关闭。第二个作用是在汽轮机启动和升负荷时，控制再热蒸汽流量。,2 汽轮机进汽方式 汽轮机进汽方式可分为：全周进汽方式和部分进汽方式两种方式。这时对应的高压调节阀运行方式为单阀方式（节流调节）与和顺序阀方式（喷嘴调节）。,图3-7中的高压调节阀的顺序阀开启顺序可设计为GV1/GV2，GV3 GV4，即GV1和GV2同时开启，然后是GV3，GV4最后开启。关闭顺序与此相反。,3 阀门管理,（1）线性化,在顺序阀控制方式下,10 20 30 40 50 60 70 80 90 100,GV1,GV2,阀门开度L,图3-9 顺序阀控制各阀位计算,f(x),GV3,GV4,总流
5、量需求值,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,高压调节阀阀位指令及阀切换,在单阀顺序阀方式切换时，一个很重要的问题是尽量避免阀门的抖动和负荷的波动，做到均衡平稳地切换。为此，要求阀门管理回路在实现方式切换期间，保持通过阀门的总流量不变。为此，把整个切换分成若干步进行，经过若干个有限的控制周期完成切换。,假设阀门切换过程中汽轮机运行工况稳定，即真空和主蒸汽参数不变，不考虑抽汽的影响，汽轮机的负荷仅由蒸汽流量决定，而各个调节阀所控制的流量也只和阀门开度有关，那么可以认为汽轮机负荷进仅是阀门开度的单函数。用y表示汽轮机负荷，L表示阀门开度，设有4个高压调节阀。在单阀方式下：
6、,顺序阀方式下：,单阀顺序阀切换的中间过程任意状态下：,如果要求单阀顺序问方式及切换过程中负荷无扰动，则应有,由于个高压调节阀设计相似，理想情况下认为完全相同，并假设经阀门曲线修正后，阀门开度与流量成正比，阀门开度与汽轮机负荷成正比，则,所以，满足阀门无扰切换的条件为,显然，这个问题有很多解。为简化问题，可以设定边界条件：,满足该边界条件的最简单解是,式中：kSIN为单阀系数；kSEQ为顺序阀系数。当阀门处于单阀方式时：,kSIN=1,kSEQ=0,当阀门处于顺序阀方式时：,kSIN=0,kSEQ=1,当阀门处于切换的中间状态时：,其阀位开度=L1SINkSIN+L1SEQkSEQ,（）单阀顺
7、序阀切换正常进行时，其切换需要经过若干个有限的控制周期才能完成，切换时间可通过调整限速模块的速率来确定。当总流量需求值大于99.9%（对应阀门全开）或小于0.1%关）时，（对应阀门全切换瞬间完成。,（）切换过程中，出现以下二种情况时，暂停切换，等到异常情况消失后，再继续切换。）汽轮机复位，手动系统复位；）当控制差大于4%停止切换，这是由于在实际的阀门切换过程中，前面分析中的假设条件是难以成立的，所以不可避免地会有负荷扰动，负荷扰动的大小与阀门特性曲线的准确性、汽轮机运行工况和控制回路的投运有关。,其它阀阀位指令形成,中压调节阀阀位指令与高压调节阀阀位指令产生原理基本相同。高压主汽阀阀位指令,中
8、压主汽阀阀位指令,第三节 汽轮机运行方式,操作员自动（Operator Automation，OA）汽轮机自启动（ATC）自动同期（AS）协调控制（CCS）由运行人员根据汽轮发电机机组运行情况选择运行方式。,一、操作员自动（OA）,1、操作员直接控制、转速自动控制、功率自动控制、主汽压力自动控制,二、汽轮机自启动（ATC）,ATC程序根据机组运行需要，能自动完成：（1）变更转速；（2）改变升速率；（3）产生转速保持；（4）改变负荷变化率；（5）产生负荷保持。,三、自动同期（AS）,采用自动同期方式一般须满足下列条件：控制在“操作员自动方式”或“汽轮机自启动”方式；机组的转速由高压调门控制；发电
9、机变压器组断路器断开（未并网）；自动同期允许；汽轮机转速在同步范围。,四、协调控制（CCS）,协调控制方式一般须满足下列条件：（1）机组已并网；（2）收到协调允许信号。,第四节 控制功能与控制系统特性,一、控制功能 1.转速控制,2.负荷控制,汽轮发电机组一般满足以下条件时可投入负荷控制：（1）机组已并网，控制系统在“操作员自动”方式（2）功率信号正常，且负荷在合适范围；（3）控制系统未参加单元机组协调控制；（4）主汽压力控制未投入。等。,3.协调控制,汽轮发电机组一般满足以下条件时可投入协调控制：机组已并网；接收到CCS请求信号；由CCS来的给定信号正常；等。,在协调控制方式下，禁止负荷控制
10、投入和做阀门试验。当有以下条件产生时协调控制方式被切除：CCS请求信号消失；从CCS来的给定信号故障；油开关跳闸；汽机已跳闸；操作人员将CCS控制切除；等。,二、控制系统特性,当汽轮机控制为协调控制方式时，要从单元机组来讨论整个机组特性，其特性在单元机组协调控制章节中介绍。在此仅对非协调控制时汽轮机功频控制特性进行简单讨论。1、静态特性,在频率校正回路中，频率校正实际上是一个死区线性限幅非线性环节。当死区线性限幅非线性环节中的死区为0，且限幅未发生作用时，频率校正回路的输出为,式中k为频率校正的比例系数，又称调差系数，单位：MW/(r/min)。k反映了机组一次调频能力，k大一次调频能力强。如
11、果电网系统中所有机组的调差系数k都很大，则容易引起系统不稳定。,频率校正回路的输出P1与给定回路输出的功率给定值P0相叠加作为功率调节器的给定，由于功率调节器采用PI控制规律，系统稳态时，汽轮发电机组的输出电功率PE等于功率给定值，即,转速不等率表示,代表机组空负荷，满负荷和额定负荷时的转速,2、控制系统动态特性,第五节 汽轮机保护与安全监视系统,一、汽轮机保护控制系统保护主要有（1）超速保护系统，用于机组超速时关闭高、中压缸调节阀。实际上有103%超速保护和110%超速保护方式两种：OPC（1），当汽轮机超过103%额定转速，即3090r/min时，OPC电磁阀动作，迅速关闭高、中压缸调节阀
12、。OPC（2），当汽轮机超过110%额定转速，即3300r/min时，AST电磁阀动作，将所有的主汽阀和调节汽阀迅速关闭，进行紧急停机。,（2）危急遮断系统，用于参数严重超标、危及机组安全时，紧急关闭所有的主汽阀和调节汽阀，立即停机。如超速110%、轴向位移超限、轴承油压低、凝汽器真空度低、推力轴承磨损、抗燃油（EH电液调节）油压低、遥控跳闸信号等发生时，由自动保护系统动作AST电磁阀，快速泄放高压抗燃油，使主汽阀和调节汽阀迅速关闭，达到保护汽轮机发电机组的目的。此外还有机械超速保护和手动遮断系统等。,二、安全监控系统,汽轮机启停和运行过程中对一些重要参数和状态进行监测。包括汽轮机转速、发电机
13、功率、主蒸汽压力和温度、再热蒸汽压力和温度、凝汽器真空、调节级压力、各级抽汽压力和温度、润滑油压和油温、控制油压、油动机行程、主汽门的开关状态、转子的轴向位移和偏心、高压缸和低压缸差胀、缸胀、汽轮机各轴瓦和轴振动、推力瓦温度、高压抗燃油油泵运行状态、汽缸与转子的热应力、上下汽缸温差等。另外，还包括汽轮机控制系统本身的运行状况，如控制器电源、输入输出件以及内部程序的运行情况等。一般称为汽轮机监测仪表（Turbine Supervisory Instrumentation,TSI），也称汽轮机安全监控系统。,第六节 汽轮机旁路控制系统,1 旁路系统及控制方案,一、旁路系统,旁路系统是为汽轮机提供的
14、一条旁路通道，它是由蒸汽管路及减温减压装置组成。其作用是将锅炉产生的蒸汽不经过汽轮机而引到下一级压力和温度的蒸汽管道或直接引入凝汽器，这样可平衡锅炉的产汽量和汽轮机的耗汽量，稳定锅炉和汽轮机的运行。,再热机组的旁路系统型式主要有一级大旁路、二级串联旁路系统、三级旁路（高压旁路串联低压旁路，再并联大旁路）。目前，大型单元机组多采用高低压二级串联的旁路系统。,二、旁路控制系统,1、控制任务旁路控制系统的控制任务可分为以下两部分：1、机组起停过程中的控制任务（1）保证主蒸汽压力按起动曲线变化；（2）保证高旁后蒸汽温度在再热器安全运行所允许的温度范围内；（3）保证再热蒸汽压力在与机组出力相适应的数值上
15、；（4）保证低压旁路后蒸汽温度在凝结器安全运行所允许的范围内。2、正常运行时的保护 在正常运行时的保护包括：当蒸汽压力过高危及安全时，进行超压保护；汽轮机急甩负荷时的工质回收；保护凝结器；保护再热器。,2、旁路控制系统方案,高低压二级串联的旁路系统来说，旁路控制系统主要由高压旁路控制系统和低压旁路控制系统构成。,高压旁路控制系统主要由高压旁路压力控制系统和高压旁路温度控制系统组成。,低压旁路控制系统主要由低压旁路压力控制系统和低压旁路温度控制系统组成。,2 600MW机组旁路控制系统,以往的旁路控制系统均采用专用的电子控制装置进行旁路控制，但这一情况在600MW机组上有所改变，一些机组已开始采
16、用DCS实现旁路控制功能。,一、高压旁路控制系统,高压旁路控制系统主要由高压旁路压力控制系统、高压旁路温度控制系统和喷水隔离阀控制系统三部分组成。,高压旁路压力控制系统,1、高压旁路系统的启动方式和运行方式 1）冷态启动。按下“启动”键，若pT psync，即进入重启动方式。这种方式适用于汽轮机短时间停机，而锅炉仍维持一定压力时的重新启动。,高压旁路控制系统的运行方式有“启动”方式、“压力控制”方式、“压力跟踪”方式和“快速开关”方式等4种。启动方式:最小阀位控制、最小压力控制 升压控制。,1）最小阀位控制：这时主蒸汽压力的设定值为最小压力设定值pmin，由于刚启动，虽然主蒸汽压力低于最小压力
17、设定值pmin，但由于切换器T2接Y端，故使得减压阀开度为最小阀位开度Ymin。以保证锅炉启动时蒸汽能进入过热器和再热器，此后随着主蒸汽压力上升，减压阀保持最小开度，直到主蒸汽压力上升到pmin。这一阶段属于滑压运行。,2）最小压力控制：这时主蒸汽压力的设定值为最小压力设定值pmin，随着锅炉的燃烧，主蒸汽压力会上升，为了维持主蒸汽压力等于最小压力设定值pmin，减压阀门开度逐渐开大，直至预先设定的开度Ym（由锅炉启动期间所期望的蒸汽流量确定）。这一阶段属于定压运行。,3）升压控制：随着锅炉的燃烧，主蒸汽压力会上升，减压阀开度Y会开增大，当Y大于设定开度Ym时，调节器PID的输出增加，这样主蒸
18、汽压力的设定值增加，于是减压阀开度Y将减小，一直减小到YYm。主蒸汽压力的设定值增加的速率将受到中切换器T6的Y端速率限制器的限制。随着锅炉燃烧率的继续增加，主汽压力上升至汽轮机冲转压力psync，这一阶段属于滑压运行。,4）压力控制：这时主蒸汽压力的设定值为冲转压力psync，控制系统将维持主蒸汽压力pT=psync，汽轮机开始冲转升速。,5）压力跟踪：当锅炉产生的蒸汽量全部进入汽轮机，高旁阀完全关闭时，旁路系统进入压力跟踪方式。在该方式下，高旁主蒸汽压力设定值跟踪主蒸汽压力pT，压力偏差p信号经切换器T1后与主蒸汽压力pT相加（ps=pT+p），构成高旁主蒸汽压力设定值，这样设定值ps始终
19、大于主蒸汽压力pT，于是压力控制器的输入始终为负偏差，以保证旁路在机组正常运行时能可靠地关闭。这一阶段属于滑压运行。跟踪方式是旁路关闭后的正常运行方式。如果主蒸汽压力超过设定值一定值时，减压阀立即开启，直到主蒸汽压力实际值小于设定值时，高压旁路阀再次进入关闭状态。,高压旁路温度控制系统,二、低压旁路控制系统,低压旁路控制系统由低压旁路压力控制系统、低压旁路温度控制系统和喷水隔离阀控制系统三部分组成。,1、低压旁路压力控制系统,pmin,pmax,中压安全门动作设定值,（）在启动和低负荷阶段：这时蒸汽未达到汽轮机冲转条件，压力设定值为最小值pmin，在锅炉点火刚后，由于压力小于pmin，调节器入
20、口偏差为负，控制输出最小值，这时低压旁路阀保持在关闭状态。随着再热汽压的不断升高，当压力大于pmin，调节器入口偏差为正，调节器控制输出逐渐增大，低压旁路减压阀逐渐开大，使得有一定的蒸汽流量通过再热器以保护再热器，同时维持再热器出口压力为最小值pmin。,（）机组升负荷阶段：这时汽轮机冲转，根据中间再热式机组的运行要求，再热汽压力应与机组负荷相适应，再热器压力随机组负荷变化而变化。因此低压旁路以“滑压方式”运行。这期间压力设定值是变动的，它与机组负荷成正比，并且压力设定值略高于再热器实际压力，目的使低压旁路压力减压阀保持在关闭状态。,如不考虑运行人员人工修正的话，汽轮机调节级压力p1经过函数发
21、生器f(x)构成这时的再热器出口压力设定值ps，即ps=kRp1+p，其中kR为100负荷时再热器出口压力设计值和汽轮机调节级压力设计值的比值，p为偏置量。汽轮机冲转后，汽轮机调节级压力p1开始上升，而此时再热器出口压力应为kRp1，由于压力设定值ps=kRp1+pkRp1，所以减压阀开始关小，直至全关。,（）安全保护：当低压旁路减压阀全关后，如不考虑运行人员人工修正的话，这时再热器出口压力设定值ps为低压旁路最大压力设定值pmax，该值小于再热器安全门动作值。这样，当再热器出口压力大于最大压力pmax，低压旁路减压阀门打开泄流泄压，而不造成安全门动作，只有在低压旁路开启后仍不能阻止再热器压力
22、的上升时，安全门才动作。,为防止锅炉超压或减少安全门动作，旁路系统设计了低压旁路快开功能，发生下列情况之一，旁路控制系统快开低压旁路减压阀：1）汽轮机110%超速；2）高压旁路快开；3）再热蒸汽压力太高。,为了防止凝汽器超温超压，设计了低压旁路快关功能。满足下列任一条件，低压旁路减压阀快速关闭并且自动切手动：1）凝汽器真空低；2）凝汽器温度高；3）凝汽器水位高；4）低压旁路喷水压力低；5）低压旁路阀后温度高。,低压旁路温度控制系统,低压旁路温度控制系统是由两套完全相同的温度控制系统来控制对应的喷水阀进而进行温度控制，在此仅介绍一侧的温度控制方案。由于进入凝汽器的是饱和蒸汽或湿蒸汽，常规的测温方法不能代表蒸汽所具有的热量，因此控制系统采用蒸汽流量来计算低压旁路喷水流量。,
